Wie funktioniert eine Atomuhr?

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1 Wie funktioniert eine Atomuhr? - Deutschlands nationales Metrologieinstitut - 1 -

2 Was ist eine Uhr Uhren Messgeräte der Zeit gehören zu den genauesten Messgeräten überhaupt und werden für viele Anwendungen in Technik und Forschung eingesetzt. Das Prinzip einer Uhr: Pendel + Uhrwerk + Anzeige Genauigkeit: Abweichung der Anzeige einer Uhr von einer idealen Uhr Beispiel: 1 s Abweichung pro Tag ergibt (1 s/86400 s) 1, relative Abweichung Uhrwerk Zeichnung: Quelle: Wikipedia commons - 2 -

3 Entwicklung der Genauigkeit von Uhren Optische Atomuhren Abweichung (Unsicherheit) pro Tag Huygens, Graham, Harrison, Riefler, Shortt haben zur Weiterentwicklung von mechanischen Uhren beigetragen

4 - 4 - Entwicklung der Genauigkeit von Uhren Zusammenfassung zu dem vorherigen Bild: Naturuhren: kein Taktgeber (z. B. Kerzenuhr, Sanduhr, Wasseruhren) oder Rotationsfrequenz der Erde (bei Sonnenuhren 1 Umdrehung/Tag), Mechanische Uhren: Taktgeber: Pendel; Schwingungsfrequenz ca. 1 Hertz (1 Schwingung/Sekunde), relative Abweichung ca bis , Quarzuhren: Taktgeber: Elektronischer Quarzoszillator; Schwingungsfrequenz bis Megahertz (10 6 Hz), relative Abweichung ca bis 10-9, Atomuhren: Taktgeber: Strahlungsübergänge im Mikrowellenbereich; Entwicklung der Genauigkeit von Uhren Schwingungsfrequenz im Gigahertzbereich (10 9 Hz), relative Abweichung < 10-15, Optische Atomuhren: Taktgeber: Optische Strahlungsübergänge; Schwingungsfrequenz im Petahertzbereich (10 15 Hz), relative Abweichung <10-17 erreicht. 1. Die Genauigkeit der Uhren steigt mit der Frequenz des Pendels an 2. Atomuhren sind die besten Uhren. 3. Die Zeiteinheit Sekunde wird über atomare Übergänge definiert.

5 - 5 - Definition der Sekunde Die Sekunde ist das fache der Periodendauer der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes von Atomen des Nuklids 133 Cs entsprechenden Strahlung. Quelle: BIPM (Bureau International des Poids et Mesures): Internationales Büro für Maß und Gewicht, Der Zahlenwert wurde so gewählt, dass die Sekunde in dieser Definition übereinstimmte mit der Dauer der Ephemeridensekunde, die bis zum Übergang auf die atomar definierte Sekunde im Jahr 1967 die Zeiteinheit im Internationalen Einheitensystem war. Eine Ephemeridensekunde ist der 1/ ,9747-ste Teil des tropischen Jahres am 0. Januar 1900 um 12 Uhr Ephemeridenzeit. Eine Ephemeridensekunde hat in den1950er- Jahren die Sonnensekunde abgelöst den 1/86400-sten Teil eines mittleren Sonnentages.

6 - 6 - Übergänge in Atomen als Pendel : Caesium Der Grundzustand des Cs-Atoms existiert in zwei stabilen energetischen Unterzuständen E 1 und E 2. In den beiden Zuständen hat das Atom unterschiedliche magnetische Momente (symbolisiert durch die Magnete auf der Abbildung). Das Atom kann die Energiedifferenz E 2 - E 1 absorbieren und dadurch seinen energetischen und gleichzeitig seinen magnetischen Zustand ändern. Dies passiert, wenn die eingestrahlte Mikrowellenfrequenz Schwingungen in der Sekunde beträgt: E 2 E 2 -E 1 = hν Mikrowelle ν = E E1 2 h E 1 h = 6, Js, Plancksche Konstante.

7 Caesium-Atom als Pendel für Atomuhr Aus mehreren physikalischen Gründen eignet sich das Cs-Atom sehr gut für die Realisierung einer Atomuhr: der Übergang zwischen den beiden Cs-Grundzuständen erfolgt bei der Absorption der Energie im Mikrowellenbereich (Frequenz ca. 9,2 GHz); zur Zeit der Entwicklung der ersten Atomuhren war die Technologie für diesen Frequenzbereich bereits vorhanden, der Übergang hat eine sehr kleine natürliche Linienbreite: die Übergangsfrequenz ist gut definiert, Cs hat nur ein natürliches Isotop, 133 Cs: es gibt gut definierte physikalische Zustände, alle Atome im Atomstrahl haben exakt die gleichen Eigenschaften, Cs hat eine niedrige Verdampfungstemperatur: es lassen sich im Vakuum leicht Atomstrahlen mit vielen Cs-Atomen erzeugen, Cs hat eine relative große Masse: bei vorgegebener Temperatur eines Atomstrahl ist das Atom langsam: die Wechselwirkungszeit mit dem elektromagnetischen Feld ist lang (siehe Wechselwirkungsverbreiterung, S.12)

8 - 8 - Aufbau einer Atomuhr mit Caesium-Atomstrahl Vakuumkammer (luftleerer Raum) Sortiermagnet Sortiermagnet Sortenreiner Strahl von Atomen Mikrowellen-Resonator Atomofen Frequenz noch falsch Detektor Quelle für Mikrowelle Frequenz nachstellen Noch kein Signal

9 Aufbau einer Atomuhr mit Caesium-Atomstrahl Vakuumkammer (luftleerer Raum) Sortiermagnet Sortiermagnet Sortenreiner Strahl von Atomen Mikrowellen-Resonator Magnete umgeklappt Atomofen Frequenz optimal: Hz Detektor Quelle für Mikrowelle Signalstärke maximieren Die Frequenz, bei der die Caesium-Atome von einem Zustand in den anderen übergehen (Magnete werden umgeklappt ), beträgt Hz

10 Aufbau einer Atomuhr mit Caesium-Atomstrahl In einer Caesium- Atomuhr wird die Zeiteinheit ihrer Definition entsprechend realisiert. Beschreibung zu den vorherigen zwei Abbildungen: Alle Prozesse finden in einer Vakuumkammer statt. Caesium wird in einem Ofen auf eine Temperatur von ca. 100 C erhitzt. Mit den verdampften Atomen wird ein Atomstrahl erzeugt. Cs-Atome befinden sich in etwa gleicher Anzahl in den beiden energetisch tiefsten Zuständen, die sie einnehmen können. Nach dem Verdampfen werden die Atome in einem inhomogenen Feld eines Sortiermagneten magnetisch sortiert, so dass nur Atome in einem Zustand (eine Sorte) in den Mikrowellen-Resonator gelangen. Dort werden die Atome mit einem Mikrowellenfeld bestrahlt. Solange die Frequenz von Hz verschieden ist, passiert nichts. Wird dagegen diese Frequenz genau getroffen, wird die Mikrowellenenergie durch die Cs-Atome absorbiert. Der magnetische Zustand der Atome ändert sich. Nach Verlassen des Resonators sortiert ein zweiter Sortiermagnet die Atome. Diejenigen, die ihren Zustand gewechselt haben, werden mit einem speziellen Detektor aufgefangen. Die Frequenz des Mikrowellenfeldes, bei welcher die aufgefangene Zahl der Atome am größten ist, wird festgehalten und elektronisch gezählt. Nach Periodendauern dieser Mikrowellenstrahlung ist eine Sekunde verstrichen.

11 Die Caesium-Uhr CS2 an der PTB CS2 ist in Betrieb seit 1985, seit 1991 liefert sie die Sekunde der gesetzlichen Zeit in Deutschland. Auf dem Foto: hinten Vakuumkammer, vorne Regelungselektronik. Standort: PTB Braunschweig; relative Abweichung 10-14, das entspricht ca. 1 Sekunde in 3 Millionen Jahren. Kommerzielle Atomuhren mit geringeren Genauigkeiten sind ähnlich aufgebaut.

12 Wechselwirkungsverbreiterung und Stabilität Der Übergang in Cs hat eine sehr kleine natürliche Linienbreite. Durch die begrenzte Wechselwirkungszeit τ der Caesiumatome mit dem Mikrowellenstrahlungsfeld wird die gemessene Linie in der Atomuhr verbreitert. Damit wird die auf das Linienzentrum geregelte Frequenz weniger genau und weniger stabil. Verbreiterung: Δν ~1/τ d.h. längere Wechselwirkungszeit τ führt zu besserer Stabilität Wechselwirkungszeit τ ν 0 ν

13 Ramsey-Anregung: ein technischer Trick Flugbahn der Atome 1 m Weg, bzw. 0,01 s Flugzeit Ramsey Resonanz Ramsey Resonator Norman Ramsey Zur Verringerung der Wechselwirkungsverbreiterung sollen die Cs- Atome auf ihrem Flug möglichst lange mit einem Mikrowellenfeld mit konstanter, stabiler Frequenz bestrahlt werden. Norman Ramsey (geb. 1915, US Physiker, Nobelpreisträger 1989) hat gezeigt, dass es zur Erzielung kleiner Linienbreiten am günstigsten ist, wenn die Cs-Atome zweimal hintereinander (zu Beginn und am Ende der Wechselwirkungszeit mit dem Mikrowellenfeld) mit relativ großem zeitlichen Abstand T bestrahlt werden. In großen Atomstrahluhren wird T 0,01 s erreicht, man erreicht damit Linienbreiten 1/(2T) von Hz. Diese Ramsey-Anregung wird heutzutage praktisch in allen Atomuhren benutzt

14 Neue Generation die Caesium-Fontänenuhren (1) Mithilfe von speziell ausgerichteten Laserstrahlen werden die Caesiumatome (ca ) in einer kleinen Wolke eingefangen und auf eine Temperatur von nur 1/ K über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt. Rückkehr durch Gravitation 3 (2), (3) Danach wird die Atomwolke durch Laserstrahlen beschleunigt, etwa einen Meter hoch nach oben geworfen, bevor sie unter dem Einfluss der Gravitation wieder herunterfällt (wie in einer Fontäne). (4) Die Wechselwirkung mit dem Mikrowellenfeld in einem Mikrowellenresonator auf dem Weg nach oben und unten stellt eine Ramsey-Anregung dar. (5) Die angeregten Atome werden detektiert. Die Zeit zwischen den beiden Wechselwirkungen beträgt jetzt T 0,5 s (statt 0,01 s im Atomstrahl in Cs-Atomstrahluhr). Frequenzvergleich: 2 Durchgänge durch einen Mikrowellenresonator Zustandsdetektion: Laser und Photodiode Die relative Abweichung von Fontänenuhren ist besser als Fallenlaser: 4 horizontal, 2 vertikal 1

15 Die Caesium-Fontänenuhren der PTB Deutschlands beste Atomuhren: CSF1 und CSF2 (CS für Caesium, F für Fontäne), im Betrieb seit 1999 bzw Standort: PTB Braunschweig Relative Abweichung < : das entspricht ca. 1 Sekunde in 30 Millionen Jahren oder ca. 300 Sekunden seit Beginn des Universums

16 Wer braucht genaue Uhren? relative Abweichung allgemeine Zeitkoordination Frequenzsynchronisation des Stromnetzes: etwa 10-9 relative Unsicherheit, ein 50 Hz - Zyklus pro Jahr Kommunikation: z. B. Moderner Mobilfunk: 3,84 MHz Signalfrequenz (UMTS) stabil auf einen Puls über 24 Stunden: Kontrolle anderer Uhren, hochauflösende Radioteleskope (VLBI), Grundlagenforschung: z. B. Überprüfung der Naturgesetze (Konstanz der Naturkonstanten) Ortsbestimmung: z. B. Satellitennavigation (GPS, Galileo): 10 ns Zeitdifferenz entsprechen etwa 3 m Ortsfehler. Beim Nachstellen der Uhren alle 24 Stunden:

17 Weiterführende Literatur Mehr Informationen unter: Themenrundgänge: Fragen zur Zeit sowie Abteilung Optik, Fachbereich 4.4 Zeit und Frequenz maßstäbe, Magazin der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt, Heft 3, Feb Kennen Sie schon die Zeit : kostenlose pdf-version unter Heft 6: Sept. 2005, Zeitgeschichten : Andere Quellen: E. O. Göbel und F. Riehle: Zeitmessung Die technische Bedeutung der genauesten Uhren, PTB-Mitteilungen 114 (2004), Heft 4 N. F. Ramsey, Nobel Lecture: Experiments with Separated Oscillatory Fields and Hydrogen Masers, pdf - Version unter: F. Riehle: Frequency Standards: Basic and Applications, Wiley-VCH, Weinheim (2004), ISBN , für Introduction siehe Blick ins Buch unter: - eine didaktische Seite über Physik (u. a. Quantenatom, Übergänge in Atomen, Laser, Mikrowellen...)

18 Kontakt Foto: Wächtergruppe von Friedrich-Wilhelm Voswinkel (1982) am Eingang der PTB, Braunschweig Physikalisch-Technische Bundesanstalt PTB Bundesallee Braunschweig Abteilung 4 - Optik, Sekretariat: Tel.: (05 31)

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